賀干群

（浙江珂斯頓機(jī)器人科技有限公司，浙江 溫州 362200）

機(jī)器人柔性拋光系統(tǒng)能全面改善傳統(tǒng)工藝的條件，并且優(yōu)化生產(chǎn)效率，為工件表面質(zhì)量的優(yōu)化提供保障，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和管理效益的雙贏。

1 機(jī)器人柔性拋光系統(tǒng)概述

在機(jī)器人柔性拋光系統(tǒng)中，基本組成元件包括機(jī)器人柔性拋光機(jī)床、機(jī)器人、開給治器等，要按照“工具裝卡—工具標(biāo)定—加工路徑離線編程—機(jī)器人自動拋光—產(chǎn)品檢測—工件卸載”的流程完成相關(guān)工作，從而維持拋光應(yīng)用的基本質(zhì)量。

目前，機(jī)器人柔性拋光系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在3D型載入離線編程體系中，能建立有效的分析模式，或者是用于定義工具坐標(biāo)系和工件坐標(biāo)系，為全面形成優(yōu)化匹配的拋光路徑提供保障[1]。

2 機(jī)器人柔性拋光機(jī)床工作原理

對于整個(gè)機(jī)器人柔性拋光系統(tǒng)而言，機(jī)床結(jié)構(gòu)具有非常重要的作用。因?yàn)闄C(jī)器人柔性拋光機(jī)床本身就是機(jī)械布輪拋光結(jié)構(gòu)，要將圓形布呢、絨毛氈等材質(zhì)按照多層結(jié)構(gòu)縫制為車輪狀態(tài)然后安裝在機(jī)床主軸位置，以便于旋轉(zhuǎn)過程中完成拋光加工。其最大的特點(diǎn)就在于可以結(jié)合被拋光對象的具體尺寸參數(shù)完成拋光路徑的匹配，并且實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動操作。

基于此，在機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，機(jī)器人柔性拋光機(jī)床在加工過程中拋光輪位置和工件的具體接觸點(diǎn)O維持固定狀態(tài)，并且，被加工對象的拋光力大于某閾值拋光力后，就會帶動拋光輪向后快速運(yùn)動，直到維持平衡狀態(tài)。具體原理如圖1所示。

圖1 機(jī)器人柔性拋光機(jī)床工作原理示意圖

由圖可知，在拋光機(jī)床正常工作過程中，拋光輪會出現(xiàn)一定程度的磨損，這就會造成輪徑縮小，造成工件和拋光輪的接觸點(diǎn)出現(xiàn)偏差，為此，要利用輪徑檢測機(jī)構(gòu)落實(shí)相應(yīng)的檢測工作，并且計(jì)算工件和拋光輪接觸點(diǎn)相對初始位置O的變化量，從而利用拋光機(jī)床伺服電機(jī)移動機(jī)構(gòu)完成主傳動結(jié)構(gòu)的進(jìn)給操作，維持拋光輪O點(diǎn)的固定效果[2]。除此之外，拋光力參數(shù)和驅(qū)動拋光輪旋轉(zhuǎn)的變頻電機(jī)電流之間存在一定的比例關(guān)系，因此，要測定驅(qū)動拋光輪旋轉(zhuǎn)的基本參數(shù)后，才能結(jié)合伺服電機(jī)控制算法獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，以保證機(jī)器人柔性拋光機(jī)床的具體應(yīng)用效果符合要求。

3 機(jī)器人柔性拋光機(jī)床力控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

為了保證機(jī)器人柔性拋光機(jī)床力控制工序的合理性和規(guī)范性，要整合數(shù)學(xué)關(guān)系，在數(shù)學(xué)描述基礎(chǔ)上建立系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，并且配合系統(tǒng)傳遞過程完成數(shù)學(xué)分析，從而有效發(fā)揮機(jī)器人柔性拋光機(jī)床的應(yīng)用優(yōu)勢作用。

3.1 組成環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型

因?yàn)闄C(jī)器人柔性拋光機(jī)床系統(tǒng)中力控制器自身就是微處理器系統(tǒng)，因此，是由硬件構(gòu)成的脈沖比較電路。若是從力學(xué)傳遞的角度對函數(shù)關(guān)系予以分析，力控制器就類似于整個(gè)體系中的比例環(huán)節(jié)，基礎(chǔ)的比例系數(shù)設(shè)定為Kp。

在力控制器應(yīng)用的過程中，其自身的輸出量為數(shù)字量，要借助D/A轉(zhuǎn)換操作才能對調(diào)速單元予以實(shí)時(shí)性控制，所以，D/A也類似于基礎(chǔ)的比例環(huán)節(jié)，將其比例系數(shù)設(shè)定為Ka[3]。

對于機(jī)器人柔性拋光機(jī)床而言，交流伺服系統(tǒng)是整個(gè)體系內(nèi)部的驅(qū)動裝置，若是參數(shù)理想且操作環(huán)境理想，伺服轉(zhuǎn)角和指令脈沖頻率本身就能形成積分關(guān)系結(jié)構(gòu)，利用計(jì)算傳遞函數(shù)，其中Kθ表示的是調(diào)速單元的實(shí)際放大倍數(shù)。

機(jī)械傳動部件的基礎(chǔ)應(yīng)用價(jià)值就在于能有效對電機(jī)轉(zhuǎn)角予以控制，并且實(shí)現(xiàn)工作臺結(jié)構(gòu)的直線性移動，假設(shè)，輸入的電機(jī)轉(zhuǎn)角為θ，對應(yīng)的輸出工作臺位移為XL，相應(yīng)的減速器減速比設(shè)定為i，在綜合分析傳遞鏈剛性參數(shù)和阻尼參數(shù)的基礎(chǔ)上，就能描述輸入和輸出的微分方程，從而有效評估機(jī)械傳動裝置的傳遞函數(shù)[4]。

在完成角位移分析后就要對直線位移予以評估，因?yàn)楣ぷ髋_產(chǎn)生的移動，才能獲取拋光力的具體參數(shù)，此時(shí)，將這個(gè)過程設(shè)定為比例環(huán)節(jié)，對應(yīng)的比例系數(shù)記作Kf。

為了保證機(jī)器人柔性拋光機(jī)床應(yīng)用的規(guī)范性和科學(xué)性，還要對檢測環(huán)節(jié)予以重視，確保閉環(huán)控制工作有序開展。不僅能對被檢測對象的信號數(shù)據(jù)大小予以收集，還能將被測試信號轉(zhuǎn)變?yōu)槟芎椭噶钚盘柶ヅ涞奈锢砹?，從而打造更加科學(xué)有效的反饋通道，維持綜合應(yīng)用效果。此時(shí)，將測量轉(zhuǎn)換作用的過程設(shè)定為比例環(huán)節(jié)，比例系數(shù)記作Kj。

綜上所述，按照閉環(huán)力控制系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)要求，輸入輸出傳遞函數(shù)和以上比例系數(shù)均有關(guān)聯(lián)，綜合分析的基礎(chǔ)上，就能更好地評估力控制數(shù)學(xué)模型的基本參數(shù)要求，從而維持分析工作的可靠性和科學(xué)性。

3.2 力控制系統(tǒng)辨識建模

在數(shù)學(xué)模型搭建的基礎(chǔ)上，要結(jié)合應(yīng)用狀態(tài)和要求，完善相關(guān)工作，并且將其和實(shí)際模型相對比，整體結(jié)構(gòu)更加簡潔，盡管忽略了部分因素，但是在模型中基礎(chǔ)參數(shù)還是較為全面的。利用系統(tǒng)辨識的過程，就能更好地減少機(jī)理建模操作方案中誤差問題產(chǎn)生的影響[5]。例如，工作臺振動情況、導(dǎo)軌摩擦情況等問題產(chǎn)生的誤差，將其結(jié)合辨識要求進(jìn)行評估，適當(dāng)采取有效的分析，就能減少模型偏差，從而確定具體參數(shù)。特別是在計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展的時(shí)代背景下，系統(tǒng)辨識處理逐漸被應(yīng)用在控制技術(shù)建模過程中，能打造更加科學(xué)合理的數(shù)學(xué)模型，從而精準(zhǔn)控制相關(guān)影響要素。本文以MARLAB系統(tǒng)辨識工具箱為例，系統(tǒng)辨識結(jié)合應(yīng)用工具建立相應(yīng)的分析流程，實(shí)現(xiàn)最終建模的要求。

第一，要對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的信號情況予以評估和判定，主要是針對機(jī)器人柔性拋光機(jī)床的輸入信號和輸出信號，完成信號分類管理的基礎(chǔ)上，保證信號確定工作。最關(guān)鍵的是，要對信號的采樣周期、辨識時(shí)間以及辨識模式等基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行確認(rèn)工作，從而保證信息匯總和分類處理的規(guī)范性，避免信息基礎(chǔ)參數(shù)認(rèn)知不全面對后續(xù)建模產(chǎn)生的影響。

第二，制定數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)，在完成基礎(chǔ)參數(shù)確認(rèn)工作后，就要結(jié)合實(shí)際需求和拋光機(jī)床的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)建立對應(yīng)的模型，確保數(shù)學(xué)建?；A(chǔ)流程的規(guī)范性。

第三，利用對應(yīng)的模塊和處理步驟完成中間環(huán)節(jié)，主要是應(yīng)用辨識的方式對輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行集中辨識分析，并且，在辨識處理的基礎(chǔ)上要建立相應(yīng)的模型，匹配規(guī)范要求選取最優(yōu)數(shù)學(xué)模型，提升建模工作的基本水平[6]。

第四，結(jié)合建模的要求和標(biāo)準(zhǔn)完成模型特性曲線的分析，觀察曲線基本情況的同時(shí)，也要收集時(shí)域響應(yīng)情況和頻率響應(yīng)情況，并且有效分析對應(yīng)狀態(tài)的可行性。

第五，若是建模結(jié)果較為滿意，則對應(yīng)的工作結(jié)束，若是建模結(jié)果不滿意，則重復(fù)執(zhí)行響應(yīng)操作，直到完善建模內(nèi)容為止。

在完成輸入信號選取后，系統(tǒng)辨識過程和輸出測量噪聲隨機(jī)信號分析模式之間要有效建立完整的控制機(jī)制，采樣周期設(shè)定為0.02 s，采樣時(shí)間設(shè)定為15 s，利用基于最小二乘法計(jì)算模式的ARX模型，就能對系統(tǒng)傳遞函數(shù)進(jìn)行辨識分析，說明辨識工具箱能為閉環(huán)控制系統(tǒng)優(yōu)選最佳力學(xué)控制方案，滿足機(jī)器人柔性拋光機(jī)床應(yīng)用要求。

4 機(jī)器人柔性拋光機(jī)床應(yīng)用

為了保證機(jī)器人柔性拋光機(jī)床工作效果，要明確各個(gè)組成部分以及應(yīng)用要點(diǎn)，以維持整體應(yīng)用控制的規(guī)范性，建立更加匹配技術(shù)方案的應(yīng)用體系，最大程度上按照軌跡規(guī)劃要求實(shí)現(xiàn)相應(yīng)動作。

4.1 主傳動機(jī)構(gòu)

在機(jī)器人柔性拋光機(jī)床應(yīng)用過程中，要按照傳動標(biāo)準(zhǔn)維持各個(gè)結(jié)構(gòu)運(yùn)行的平衡狀態(tài)，其主傳動結(jié)構(gòu)主要包括以下組成部分：①拋光機(jī)；②變頻電機(jī)；③帶傳動結(jié)構(gòu)；④變頻調(diào)速器，能對拋光輪的實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速予以調(diào)控。

在實(shí)際應(yīng)用過程中，要依據(jù)機(jī)器人柔性拋光機(jī)床工作具體的工藝要求完成相關(guān)處理，且拋光輪和工件接觸點(diǎn)位置的線速度要維持在固定不變的狀態(tài)。與此同時(shí)，在轉(zhuǎn)速得以被有效調(diào)控處理的基礎(chǔ)上，就能保證機(jī)器人柔性拋光機(jī)床工作中線速度的穩(wěn)定性[7]。

4.2 伺服結(jié)構(gòu)

對于機(jī)器人柔性拋光機(jī)床而言，伺服結(jié)構(gòu)是維持主傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)給運(yùn)動的基礎(chǔ)，確保相關(guān)工序都能在規(guī)范的力學(xué)控制范圍內(nèi)，主要組成部分包括交流伺服機(jī)、減速裝置、導(dǎo)軌等，能對輪徑予以集中的測試分析，配合對應(yīng)的處理方案就能進(jìn)一步完成拋光機(jī)床力學(xué)控制工作，減少不平衡力對其柔性應(yīng)用產(chǎn)生的負(fù)面影響。

4.3 輪徑檢測結(jié)構(gòu)

要想維持系統(tǒng)應(yīng)用的規(guī)范性和合理性，就要保證檢測結(jié)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定，路徑檢測結(jié)構(gòu)包括齒條、齒輪、路徑檢測傳感器，要結(jié)合機(jī)器人柔性拋光機(jī)床工作的具體情況完善相應(yīng)工作。

4.3.1 計(jì)算

結(jié)合圖1可知，齒條1和齒條2與齒輪緊緊嚙合，并且齒條和機(jī)架處于固定狀態(tài)，在齒輪發(fā)生移動或者是變形后，就會使得齒條出現(xiàn)相應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化，也會形成相應(yīng)的位移，拋光輪中心從O1轉(zhuǎn)變?yōu)镺2，O1和O2之間的差值就是δ，如圖2所示[8]。

圖2 輪徑檢測計(jì)算

4.3.2 工作原理

為了避免磨損對設(shè)備運(yùn)行效果造成的影響，要更換新的拋光輪，完成安裝后，要著重關(guān)注機(jī)器人柔性機(jī)床拋光力的恒定性和規(guī)范性，結(jié)合拋光機(jī)床的具體應(yīng)用，完成主體結(jié)構(gòu)的移動處理。在輪徑檢測結(jié)構(gòu)中，輪徑檢測傳感器和拋光輪接觸后，利用相關(guān)計(jì)算過程完成分析，然后適當(dāng)調(diào)整輪徑，能在維持拋光輪和工件接觸點(diǎn)O位置固定的同時(shí)，有效提升檢測效率[9]。

4.4 力控制單元

在機(jī)器人柔性拋光機(jī)床結(jié)構(gòu)分析和應(yīng)用處理的過程中，為了確保其應(yīng)用效果符合預(yù)期，就要對力控制過程予以關(guān)注，保證機(jī)器人柔性拋光機(jī)床的拋光力小于閾值拋光力，并且維持拋光力的恒力狀態(tài)。

首先，拋光力是拋光輪結(jié)構(gòu)作用在工件上產(chǎn)生的對應(yīng)力學(xué)參數(shù)，其本身屬于合力，分力為法向力和切向力。

跨區(qū)作業(yè)走南闖北。河南省農(nóng)機(jī)跨區(qū)作業(yè)發(fā)起于1993年，至今已經(jīng)走過25個(gè)年頭，全省聯(lián)合收割機(jī)從無到有，發(fā)展到2018年的18.8萬臺，收割機(jī)作業(yè)面積達(dá)7900多萬畝，成為全國小麥機(jī)收會戰(zhàn)的“主戰(zhàn)場”和“首戰(zhàn)場”。每年河南省大面積機(jī)收作業(yè)結(jié)束后，大批收割機(jī)陸續(xù)奔赴山東、河北、內(nèi)蒙古、天津等地作業(yè)，出省作業(yè)收割機(jī)總量在3萬臺左右。小麥跨區(qū)機(jī)收作業(yè)模式開辟了農(nóng)業(yè)小規(guī)模家庭經(jīng)營條件下農(nóng)機(jī)社會化服務(wù)的新路子，是我國現(xiàn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營體制下發(fā)展農(nóng)業(yè)機(jī)械化的一大創(chuàng)舉。

其次，在實(shí)際應(yīng)用中，拋光力和驅(qū)動拋光輪電機(jī)產(chǎn)生的對應(yīng)電流之間存在一定的關(guān)系，呈現(xiàn)出波峰和波谷較為對稱的曲線關(guān)系。

最后，要將對應(yīng)的曲線參數(shù)作為評估力學(xué)反饋效果的信號，結(jié)合PID控制的具體要求或者是利用模糊力控制分析的相關(guān)規(guī)定，要全面分析對應(yīng)參數(shù)，保證拋光力小于閾值范圍內(nèi)的拋光力，并且維持力的穩(wěn)定性，為整個(gè)拋光工藝流程的順利落實(shí)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

4.5 PLC軟件應(yīng)用

PLC憑借其高可靠性、高抗干擾性被應(yīng)用在機(jī)器人柔性拋光機(jī)床應(yīng)用流程中，然而，設(shè)備工作環(huán)境較為復(fù)雜，且會受到多種因素的干擾，為了減少誤動作造成的不良影響，就要全面分析干擾源，然后匹配PLC應(yīng)用要求落實(shí)對應(yīng)的工作。也就是說，在明確軟件設(shè)計(jì)要點(diǎn)后落實(shí)抗干擾措施，以便于PLC軟件能在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮作用。

4.5.1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在PLC軟件主程序設(shè)計(jì)過程中，要結(jié)合程序標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用要求，維持綜合設(shè)計(jì)的規(guī)范性，并全面提高應(yīng)用效率，按照標(biāo)準(zhǔn)流程發(fā)揮軟件優(yōu)勢[10]。

首先開始初始化。然后系統(tǒng)復(fù)位。之后對應(yīng)模塊讀取機(jī)器人控制器的相關(guān)指令信息。接著分別開始對應(yīng)的控制工作，具體為：①啟動輪徑檢測子程序；②啟動拋光子程序，結(jié)合實(shí)際情況確認(rèn)是否配合力控制單元，然后評估是否啟動拋光液控制單元；③改變拋光輪的轉(zhuǎn)速。最后結(jié)合對應(yīng)的要求開啟相關(guān)流程環(huán)節(jié)，獲取適宜的分析結(jié)果。

之所以要落實(shí)完整的抗干擾措施，就是為了避免PLC控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)受到外界因素影響造成拋光處理不到位的問題[11]。

要想從根本上抑制電網(wǎng)中產(chǎn)生的干擾現(xiàn)象，就要依據(jù)環(huán)境情況、設(shè)備自身運(yùn)行狀態(tài)等酌情選取帶有屏蔽元件的電源變壓器或者是電源濾波器等。要對輸入輸出信號進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)，一般而言，要選取尺寸較大的信號線，配合布線方案和設(shè)計(jì)流程，就能提升I/O信號線的抗干擾能力，完善對應(yīng)的輸出工序、應(yīng)用工序，從而保證開關(guān)電源供電的規(guī)范效果。要結(jié)合PLC應(yīng)用要求建立接地設(shè)計(jì)單元，主要是利用PLC和其他設(shè)備的一點(diǎn)接地模式，維持應(yīng)用的規(guī)范性，選取直徑大于22 mm的導(dǎo)線進(jìn)行接地，材質(zhì)為銅。

4.5.3 力控制單元應(yīng)用

在力控制單元，PLC閉環(huán)拋光力控制流程也非常關(guān)鍵，主要是借助內(nèi)部PID控制模塊，建立完整的控制機(jī)制和應(yīng)用平臺，與此同時(shí)，發(fā)揮控制體系穩(wěn)定性好且結(jié)構(gòu)便捷化的優(yōu)勢，打造更加多元且穩(wěn)定的控制流程。

進(jìn)入PID控制單元，借助信號傳感器將相關(guān)信號集中傳輸?shù)剿欧刂颇K中，保證信息數(shù)據(jù)匯總的及時(shí)性和規(guī)范性，并且避免信息流失造成的影響。伺服電機(jī)驅(qū)動器直接落實(shí)相應(yīng)的驅(qū)動處理工序，維持柔性工業(yè)機(jī)器人規(guī)劃要求，確保拋光力控制在合力的數(shù)值范圍內(nèi)。伺服電機(jī)移動，直接作用在拋光輪上，隨著拋光輪的轉(zhuǎn)動，直接形成作用下變頻電機(jī)上的力[12]。

正是依據(jù)PLC閉環(huán)拋光力的控制方式，能有效形成PID模塊連續(xù)應(yīng)用模式，并且維持?jǐn)?shù)字化處理效果，配合離散形態(tài)的PID方程，就能結(jié)合結(jié)果實(shí)現(xiàn)控制程序的最終設(shè)計(jì)，提升整體機(jī)器人柔性拋光機(jī)床應(yīng)用效率。

5 結(jié)束語

總而言之，機(jī)器人柔性拋光機(jī)床應(yīng)用中，要綜合分析加工生產(chǎn)線應(yīng)用系統(tǒng)的便捷性和穩(wěn)定性，確保相關(guān)元件都能維持良好的運(yùn)行狀態(tài)，真正提高機(jī)器人柔性拋光系統(tǒng)的運(yùn)行效能，打造穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行環(huán)境，促進(jìn)機(jī)械加工產(chǎn)業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展。